恒功率岩土热物性现场测试精度改善方法

赵新卓

摘 要：为了在现场热物性测试中得到吸热与排热模式下的岩土体综合热导率参数，便于研究岩土体在不同温度下的热导率变化特征，利用专用的双工况测试装置，对测试仪的功率输出进行三级调控，通过检测某一级输出的温度等参数，并将其传送给下一级，实现开环控制，以减少由于热惯性引起的波动。对环境因素引起的变化进行定量补偿，达到吸热、放热恒功率测试时较高的控制精度。

关键词：岩土热物性测试；误差分析；三级控制；精度改善

中图分类号：TE132 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2017）26-0063-02

1测试原理及误差分析

一般物质材料的热导率在常温下为常数，随温度变化热导率有微小的变化，这种随温度依附关系在一定温度范围内可用近似线性关系表达[1]。由于地下岩土体的物质成分复杂多样，各种不同类别的岩土体在不同温度下的热导率随温度的依附关系并不完全相同。在岩土体孔隙比较大、富含大量水分时，水体粘度随温度变化而变化，使不同温差下的岩土体传热变化更加显著。根据实验测试[2]，冬夏不同工况测得的岩土体导热系数变化可达15%。

实验室内对岩土样本可以进行不同温度下的热导率测试，给综合研究和工程设计提供参考。在浅层地温能评价和地源热泵地埋管换热器工程设计中，由于地层岩土体的复杂性，必须进行现场热物性测试，得到岩土体综合热导率等参数。

目前在岩土热物性的现场测试中，有两种方法：“恒热流法”、“恒温法”[3]。《地源热泵系统工程技术规范 GB50366-2005》（2009 年版）[4]新增了附录中岩土热物性试验部分内容，明确了地源热泵系统的岩土热物性试验相关要求，推荐 “恒热流法”作为试验实施方法，并未对试验的吸热与排热做出规定，目前，岩土热物性试验采用该方法进行排热测试较多[5]。

在“恒热流法”中，制热的恒功率电控模式容易实现；制冷工况时则相对困难，由于制冷机组结构特性，输入输出变化反馈缓慢，调节时间滞后，不易做到精确控制，一般测试仪器均在冬季工况时采用恒温模式进行吸热能力测试，得到钻孔单位延米的传热量数据，而不进行岩土热物性参数求取[6]。

专利号CN201310273535[7]采用变频辅助调节方式进行吸热恒热流测试，仍存在一定周期性的波动，达不到研究冬夏差别的精度要求。

对测试结果精度产生的影响有两种温度波动：短周期波动与长周期波动。测试介质流体一般为水，其比热容大，热惯性较高，并且流经管道存在一定时间，温度传感器等热敏元件对短时间突然变化的温度会有一定的延迟反应，使某一时刻测得的温度数值可能与执行元件处的温度变化趋势不同，从而使温度波动变大。由于实际测试中在不同流量、不同温度时有不同的传热特征，采用PID比例积分方式也不能很好的消除波动。虽然短周期波动的数据经过平滑处理后有消除波动的明显改善，但其波动周期与测试温度数据采样周期重合或存在倍数关系时，会在较长时间的数据中产生偏离误差。

对热导率求解的另一影响因素为长周期波动，主要为环境影响，如天气温度的周期性变化。由于测试系统实际上不能完全绝热，在外部环境和系统之间，存在一小部分能量传递。完整的测试时间一般为2-3d，特别是在测试后期进回水温度变化很小，出现周期24h的波动。如果在测试末期的12h产生0.1℃偏差，一般会使热导率计算数值产生1.5%-2%的误差。

2 测试精度改善措施

为了提高在冬夏双工况下的测量精度，减少测试功率输出波动，避免气温变化的干扰，利用冬夏双工况同样精度的恒功率现场岩土热物性測试装置与三级逐步控制等方法，实现较高精度和稳定程度的冷热功率输出，从而达到研究不同温度下综合导热系数变化规律的目的。

2.1 测试装置组成

测试装置包括：进回水管路、风冷变频制冷机组、加热器、2个安装在进回水口的高精度温度传感器T1与T3、1个加热器之前的高精度温度传感器T2、1个安装在测试装置外壳处的环境温度传感器T4、流体流量计、水泵、3个三通换向球阀、2个Y型过滤器、PLC控制系统、执行单元、数据采集单元及输入输出单元等。结构原理见图1。

风冷变频制冷机组为测试装置提供冷源，通过改变频率调整输出功率，使之超出测试装置输出功率一定范围。制冷机组置于独立的壳体内，通过柔性管道与其他管路连接。随测试工况不同，可以调整测试系统与制冷机的联通情况，通过三通转换开关S3与球阀开关D1实现水路循环的改变。

利用测试数据求解参数时，测试装置进回水温差正比于输入地下的测试功率，也正比于综合地层热导率。在一种工况测试过程中，当两个进回水温度传感器输出存在相互偏离或接近的误差时，在另一工况测试时误差数据就会相反地接近或偏离，加大了吸热与排热工况测试得出的地层热导率差别。所以在测试装置进回水温度传感器T1、T3与进出水管路之间设置三通转换开关S1与S2，使可能产生的系统误差予以抵消。

2.2 三级控制方法

通过检测某一级输出的温度参数，传送给下一级，实现开环控制，以减少由于热惯性引起的波动加大。对环境因素引起的变化定量补偿，提高同种技术条件下对吸热、放热恒功率测试的精度。三级控制流程见图2。

第一级控制为变频压缩机输出功率的调节，利用测试仪进口温度和压缩机水流出口温度的差值、流量、预先设定的测试功率，计算需要的频率，再增加一部分调节余量，传送给变频器执行。由于风冷压缩机输出功率相对各种工况变化反应时间较长，所以设置的控制时间步长可以适当加大，以尽可能使输出功率的曲线平滑，减少波动。选择合适的调节余量系数，可以减少测试中的测试装置自身的功率。

冬季吸热测试工况时，第一级调控的数据来源于制冷机的变工况特征、环境温度、额定功率及功率调节系数，调节步长取5-10分钟，计算式为：endprint

f-需调节的制冷机频率；Pf-设定的测试功率；K1-功率调节的富裕系数，一般取1.2-1.3；K2-制冷机的变工况特征系数，一般取-0.01—-0.015；K3-制冷机的变工况特征系数，一般取1.1-1.3；Pc-制冷机的额定输出功率；fc-制冷冷机的额定频率；T4-环境温度。

第二级，控制器给出设定功率与制冷压缩机输出功率的差值，使可控硅调功器执行输出，通过功率传感器，反馈实际功率数值进行调控。鉴于一级调控输出已较平稳，变化缓慢，所以二级调控步长可以适当变小。由于是对一级输出的另外控制，功率传感器只是对调功器输出的监测，也可称为开环调控方式。

第二级调控数据来源于通过T1、T2测得的制冷机输出功率，计算式为：

Pe=（T2-T1）·Q·？籽c-Pf

Pe-加热器需要的调节功率；T1-测试装置进水温度；T2-制冷机与加热器之间的温度；Q-流体流量；ρc-水的体积热容。

第三级，气温变化会使温度测试曲线产生长周期的波动，如果对测试仪进出口的水温进行反馈控制，就会因此产生短周期的波动，所以也可采用开环控制的方式给予调节。由于加热器的水管与电器连接、排水口、固定支撑部件的存在，在一定温差下，加热器的内部流体与外环境之间存在部分能量交换，有着相对固定的热阻。通过测试仪采集的逐时气温数据与加热器内部流体温度差值，然后将差值与固定热阻值相乘，二者乘积即为所需要补偿的功率。将此功率数值传送给可控硅调功器，累加到第二级调控的功率输出数值之上。

第三级调控数据来源于T4，即环境温度、加热器结构特征等，需保证温度传感器既能代表制冷机冷凝器进风口的空气温度，又能代表加热器周边的温度。计算式为：

ΔPe-第三级需要调节的补偿功率；T3-测试装置出水温度；R-加热器与外界环境之间的热阻，一般取0.2-1；Pe'-第二级与第三级需要调节的功率总量。

在模拟测试夏季工况时，将变频制冷压缩机关停，第二级调控直接给调功器一个设定功率数值，第三级步骤仍按与冬季吸热工况相同的步骤进行。

测试装置水流出口温度传感器的功能，只是用来采集仪器出口温度，不反馈给调控系统，所以最后输出的功率计算结果，会与初始设定的功率参数有微小差别，但对于后期数据处理无影响。图3给出了对同一测试孔采用该测试装置的多级调控措施前后的测试效果对比，1、2为原有常规测试温度随时间变化的曲线，可以看出，采用多级调控措施后，温度曲线3、4的波动得到明显改善，精度也相应提高。

3 结束语

通过测试装置的三級调控措施，可以得到较稳定的没有波动的输出，选取合适的机组调节余量功率系数，可使测试仪工作时自身的功率消耗降低。转换开关消除了同一台测试装置在吸热与排热工况时的部分系统误差。适合冬夏不同工况下的参数研究，在常规的工程应用中提高测试精度，给出更准确的热物性参数。

参考文献：

[1]杨世铭，陶文铨.传热学[M].北京：高等教育出版社，2006.

[2]孙文广，冷旭勇，王飞，等.郓城县浅层地热能勘查评价[J].山东国土资源，2015，31（1）：36-39.

[3]丁勇，黄昕，贾宇.两种岩土热响应测试方法对比[C].地温资源与地源热泵技术应用论文集（第四集），2011.

[4]GB50366-2009.中华人民共和国建设部[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.

[5]张宗元，孙晓涛，王飞，等.临沂城区浅层地热能利用方式适宜性分区研究[J].山东国土资源，2015，31（8）：42-44.

[6]乔卫来，陈九法，薛琴，等.地埋管热响应测试及数据分析方法[J].流体机械，2010，38（6）：60-63.

[7]刘自强，王建辉，刘伟，等.变频热泵式岩土热物性测试仪[P].中国专利：CN201310273535.1，2013-7-1.endprint